KR101005804B1 - 동-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법 - Google Patents

동-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종래에 비해 접합 강도 및 드로잉성이 향상된 클래드판을 제공할 수 있는 동-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여, 본 발명은 동판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 세척하는 단계; 동판을 200~220℃에서 4~6분 동안 가열하는 단계; 알루미늄판 및 스테인리스강판을 적층하여 330~350℃에서 25~30분 동안 가열하는 단계; 동판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 차례로 적층하여 30~35%의 압하율로 압연하여 접합시키는 단계; 및 상기 접합된 클래드판을 240~260℃에서 23~27분 동안 가열하는 단계를 포함하는 동-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법을 제공한다.

Description

동-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법 {Method of manufacturing copper-aluminum-stainless steel clad plate}
본 발명은 동-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래에 비해 접합 강도 및 드로잉성이 향상된 클래드판을 제공할 수 있는 동-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법에 관한 것이다.
클래드는 두 가지 이상의 금속재료의 표면을 금속학적으로 접합시켜 일체화한 적층형의 복합재료로 정의된다. 이러한 클래드는 다양한 재료를 적절히 조합하여 사용함으로써 소재의 성능을 극대화할 수 있고 고가의 소재를 절약할 수 있으므로 경제적으로도 큰 장점이 있기 때문에, 소재의 조합이 점차 다양해지고 있으며 적용 분야도 확대되고 있다.
클래드 중에서 현재 가전제품용 소재로 가장 많이 적용되고 있는 것은 스테인리스강-알루미늄 클래드인데 이 소재는 스테인리스강과 알루미늄의 장점을 적절히 조합시켜 사용하기 위한 것으로서 알루미늄의 낮은 비중과 높은 열전도도 그리 고 스테인리스강의 우수한 내식성 및 가공성 등의 장점을 가지고 있다. 이 때문에 이것은 일반 가정용 조리 용기와 전자 조리용 기구 등에 이용되고 있으며, 건자재, 플랜트에 사용되는 열교환기용 소재, 자동차, 선박 등에도 일부 적용되고 있다.
클래드는 다양한 용도로 사용될 수 있기 때문에, 각 분야에서 기존의 단일 소재를 대체할 가능성이 높다. 이 같은 소재의 대체 현상은 주방 용기에서 매우 빠르게 진행되고 있으며, 기존의 스테인리스강이나 알루미늄 등의 단일 소재가 스테인리스강-알루미늄 또는 스테인리스강-알루미늄-스테인리스강 클래드로 급속히 대체되어가고 있다.
또한, 근래에 와서는 열원으로서 가스를 이용하는 대신 위험성도 적고 환경 친화적인 유도가열장치의 이용이 점차 증가함에 따라, 이에 적합한 소재로 열을 고르고 빠르게 전도할 수 있는 오스테나이트계 스테인리스강-알루미늄-페라이트계 스테인리스강 클래드의 이용이 증가하고 있다. 유도가열방식으로 가열을 하기 위해서는, 소재에 자기가 있어야 하기 때문에, 이중판의 경우에는 외부를 페라이트계 스테인리스강으로 하고 음식물과 접촉하는 내부를 알루미늄에 수지 코팅을 하여 사용하는 한편, 삼중판의 경우에는 외부를 페라이트계 스테인리스강으로 하고 가운데를 알루미늄으로 하며 내부를 오스테나이트계 스테인리스강으로 구성하고 있다.
그 외에도 최근에는 유도가열 특성을 충분히 활용하기 위해서 자기특성이 우수한 탄소강을 사용하고 있는데, 스테인리스강-알루미늄-탄소강-알루미늄-스테인리스강 클래드 혹은 알루미늄-탄소강-알루미늄 클래드가 그것이다.
이같은 클래드들과 함께, 부가가치가 높고 외관이 미려하며 열전달 특성이 매우 우수한 동-알루미늄 클래드에 대한 수요가 유럽을 중심으로 서서히 증가하고 있는 추세에 있는데, 클래드의 외피로 이용되는 동은 기존의 스테인리스강에 비하여 전열 성능이나 열확산 성능이 매우 우수하다. 따라서, 동-알루미늄 클래드를 조리기구용 소재로 이용하면 조리 시간을 단축시킬 수 있으며, 이에 따라 에너지 절약도 가능하다. 아울러, 동-알루미늄 클래드는 외관이 미려하기 때문에 장식용으로도 가치가 있으며, 히트 싱크재로도 이용할 수 있다.
한편, 현재 사용되고 있는 클래드의 제조방법으로는 폭발 접합, 확산 접합, 압연법, 육성 용접 등이 있으며, 이들 방법이 조합되어 이용되는 경우도 많다.
이 가운데, 폭발 접합은 접합시에 소음이 커서 작업 장소를 구하기가 어렵고 작업도 위험할 뿐만 아니라 박판재에 대해서는 표면 형상이 나빠지기 때문에 적용할 수가 없다.
확산 접합은 접합력이 우수한 제품을 얻을 수는 있으나 시간이 많이 소요되며 제조원가가 높아 고가의 부품을 제외한 일반 공업용 소재 제조 공정으로는 경제성이 없다.
육성 용접은 동-알루미늄간이나 알루미늄-스테인리스강간의 직접 용접이 불가능하기 때문에 동-알루미늄-스테인리스강 클래드의 제조공정으로는 적용할 수가 없다.
따라서, 위에서 언급한 클래드의 제조방법 중 제품을 가장 경제적으로 대량 생산할 수 있는 방법은 압연법이라고 할 수 있다.
특히, 열간 압연에 의해서 클래드를 제조하는 방법은 일종의 고상 접합으로 서 접합면에 존재하는 스케일, 기름, 때 등의 이물질을 제거하는 접합전 표면처리가 매우 중요하다. 접합시에도 접합 계면에 산화 피막이 생기지 않도록 충분한 주의를 기울여야 한다. 그런데, 제품을 대량 생산하는 상업 공정에서는 계면을 보호하기 위해서 진공 분위기에서 압연하거나 환원성 가스 분위기에서 압연하는 것이 곤란하다. 따라서, 판재에 표면처리를 하더라도 판재를 가열할 때 산화 피막이 다시 형성됨으로써 접합시에 문제를 일으키게 된다.
종래에 동-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법에 관하여 알려져 있다. 하지만, 종래기술에 따라 제조된 클래드판은 여전히 접합 강도 및 드로잉성이 충분하지 않은 실정이다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 종래에 비해 접합 강도 및 드로잉성이 향상된 클래드판을 제공할 수 있는 동-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 동판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 세척하는 단계; 동판을 200~220℃에서 4~6분 동안 가열하는 단계; 알루미늄판 및 스테인리스강판을 적층하여 330~350℃에서 25~30분 동안 가열하는 단계; 동판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 차례로 적층하여 30~35%의 압하율로 압연하여 접합시키는 단계; 및 상기 접합된 클래드판을 240~260℃에서 23~27분 동안 가열하는 단계를 포함하는 동-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법을 제공한다.
상기 세척 단계는 판을 알칼리 용액에 침지하는 것일 수 있다.
상기 동판 가열 단계는 동판을 210℃에서 5분 동안 가열하는 것일 수 있다.
상기 동판 및 스테인리스강판 가열 단계는 동판 및 스테인리스강판을 340℃에서 27분 동안 가열하는 것일 수 있다.
상기 접합된 클래드판 가열 단계는 접합된 클래드판을 250℃에서 25분 동안 가열하는 것일 수 있다.
상기 접합된 클래드판 가열 단계는 무산소 조건 하에서 이루어지는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 동-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법에 의하면 공정 단계들의 조합, 및 각 단계의 공정 조건, 즉, 가열 온도와 시간 및 압하율을 특정함으로써 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 동-알루미늄-스테인리스강 클래드판은 종래에 비해 접합 강도 및 드로잉성이 현저히 향상되는 장점을 갖는다.
이하, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법의 순서를 도시하는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 따른 동-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법은 세척 단계(10), 동판 가열 단계(20), Al-ST판 가열 단계(30), Cu-Al-ST판 접합 단계(40) 및 Cu-Al-ST판 가열 단계(50)를 포함한다.
먼저, 세척 단계(10)를 수행한다. 세척 단계(10)에서는 동판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 세척한다. 상기 세척 단계는 판을 알칼리 용액에 침지하는 것일 수 있다.
또한, 판의 세척은 산세에 의해 수행될 수 있는데, 예를 들어 동판의 경우에는 질산 또는 황산 용액에 일정시간 침지하면 스케일을 제거할 수 있으며, 알루미늄의 경우에는 수산화나트륨 용액에 침지한 후 석유에테르 용액으로 세정하면 된다. 한편, 스테인리스강판은 표면 산화에 민감하지 않기 때문에 별다른 처리를 할 필요는 없고, 표면을 세척하는 것만에 의해 수행될 수도 있다.
다음으로, 동판 가열 단계(20)를 수행한다. 본 발명에 따른 동판 가열 단계(20)는 동판을 200~220℃에서 4~6분 동안 가열하는 것이 바람직하다.
본 발명자들은 최종 제조되는 클래드판의 접합강도 및 드로잉성을 개선하기 위해서는 동판의 가열 온도 뿐만 아니라 가열 시간도 주요한 변수가 됨을 확인하였으며, 최적 조건은 200~220℃의 온도 및 4~6분의 시간임을 확인하였다.
동판의 가열 온도가 200℃ 미만인 경우 충분한 접합강도를 얻을 수 없고 소재의 연신에 어려움을 겪게 되며, 동판의 가열 온도가 220℃ 초과인 경우 표면 산화층의 두께가 급격히 증가하여 접합이 어려워지는 문제점이 있다.
가열 온도 뿐만 아니라 가열 시간도 주요한 변수인데, 동판의 가열 시간이 4분 미만인 경우 및 6분 초과인 경우에도 충분한 접합 강도를 얻을 수 없었다.
동판의 가열 단계는 210℃에서 5분 동안 가열하는 것이 가장 바람직하다.
다음으로, Al-ST판 가열 단계(30)를 수행한다. 본 발명에 따른 Al-ST판 가열 단계(30)는 알루미늄판 및 스테인리스강판을 적층하여 330~350℃에서 25~30분 동안 가열하는 것을 특징으로 한다.
마찬가지로 본 발명자들은 알루미늄 및 스테인리스강판의 최적의 가열 온도를 확인했을 뿐만 아니라, 최적의 효과를 달성하기 위한 가열 시간을 확인하였다.
알루미늄 및 스테인리스강판의 가열 온도가 330℃ 미만인 경우 충분한 접합강도와 드로잉성을 얻을 수 없고, 동판의 가열 온도가 350℃ 초과인 경우에도 충분한 접합강도와 드로잉성을 얻을 수 없다.
또한, 알루미늄 및 스테인리스강판의 가열 시간이 25분 미만인 경우 및 30분 초과인 경우에도 충분한 접합 강도와 드로잉성을 얻을 수 없었다.
상기 동판 및 스테인리스강판 가열 단계는 동판 및 스테인리스강판을 340℃에서 27분 동안 가열하는 것이 가장 바람직하다.
다음으로, Cu-Al-ST판 접합 단계(40)를 수행한다. 본 발명에 따른 Cu-Al-ST판 접합 단계(40)는 동판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 차례로 적층하여 30~35%의 압하율로 압연하여 접합시키는 것을 특징으로 한다.
압하율이 30% 미만인 경우 충분한 접합 강도를 얻을 수 없고, 압하율이 35% 초과인 경우 판재에 심한 변형을 주게 되어 가공경화 현상이 발생할 수 있다.
다음으로, Cu-Al-ST판 가열 단계(50)를 수행한다. 본 발명에 따른 Cu-Al-ST판 가열 단계(50)는 상기 접합된 클래드판을 240~260℃에서 23~27분 동안 가열하는 것을 특징으로 한다.
클래드판 가열 단계(50)를 수행하는 경우 수행하지 않는 경우에 비해 현저히 우수한 접합 강도 및 드로잉성을 나타내었다.
클래드판의 가열 온도가 240℃ 미만인 경우 접합강도와 드로잉성이 상대적으로 떨어졌고, 클래드판의 가열 온도가 260℃ 초과인 경우에도 접합강도와 드로잉성이 상대적으로 떨어졌다.
또한, 클래드판의 가열 시간이 23분 미만인 경우 및 27분 초과인 경우에도 23~27분인 경우에 비해 충분한 접합 강도와 드로잉성을 얻을 수 없었다.
상기 접합된 클래드판 가열 단계는 접합된 클래드판을 250℃에서 25분 동안 가열하는 것이 가장 바람직하다.
또한, 상기 접합된 클래드판 가열 단계는 무산소 조건 하에서 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명자들은 클래드판 가열 단계를 무산소 조건하에서 수행하는 경우 산소 조건하에서 수행하는 경우에 비해 훨씬 우수한 접합 강도와 드로잉성을 얻을 수 있음을 확인하였다.
이하, 실시예를 통해 본 발명의 효과를 보다 상세하게 비교한다.
실험예 1 : 동판의 가열 온도 및 시간에 따른 클래드판의 비교
동판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 세척하고, 동판을 가열하였고, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 적층하여 340℃에서 27분 동안 가열하였다. 또한, 동판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 차례로 적층하여 33%의 압하율로 압연하여 접합시키고, 상기 접합된 클래드판을 250℃에서 25분 동안 가열하여 동-알루미늄-스테인리스강 클래드판을 제조하였다.
상기에서 동판의 가열 온도 및 시간을 다양하게 조합하여 실험을 수행하였으며, 그에 따른 접합강도와 드로잉성의 결과를 표 1에 나타내었다.
표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 동판의 가열 온도 및 시간은 200~220℃에서 4~6분 동안이 바람직하고, 210℃에서 5분 동안이 가장 바람직하다.
<표 1>
180℃ 190℃ 200℃ 210℃ 220℃ 230℃ 240℃
2분 ×× ×× ×× × × × ×
3분 ×× × △ △ △ △ ×
4분 ×× △ ○ ○ ○ △ ×
5분 × △ ○ ◎ ○ △ ×
6분 × △ ○ ○ ○ △ ××
7분 × △ △ △ △ × ××
8분 × × × × ×× ×× ××
주) ◎: 매우 양호, ○: 양호, △: 보통, ×: 불량, ××: 매우 불량
실험예 2 : Al - ST 의 가열 온도 및 시간에 따른 클래드판의 비교
실험예 1과 유사하게 수행하였지만, 동판을 210℃에서 5분 동안 가열한 점, 및 알루미늄판 및 스테인리스강판을 가열 온도 및 시간을 다양하게 조합하여 가열한 점은 다르게 하였다.
그에 따른 접합강도와 드로잉성의 결과를 표 2에 나타내었다.
표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 알루미늄판 및 스테인리스강판의 가열 온도 및 시간은 330~350℃에서 25~30분 동안이 바람직하고, 340℃에서 27분 동안이 가장 바람직하다.
<표 2>
280℃ 300℃ 330℃ 340℃ 350℃ 370℃ 400℃
20분 ×× ×× △ △ △ × ×
25분 ×× × ○ ○ ○ × ×
27분 ×× × ○ ◎ ○ × ×
30분 × × ○ ○ ○ × ×
35분 × × △ △ △ × ××
40분 × × △ △ △ ×× ××
주) ◎: 매우 양호, ○: 양호, △: 보통, ×: 불량, ××: 매우 불량
실험예 3: 클래드판 가열 단계의 유무, 및 가열 온도 및 시간에 따른 클래드판의 비교
실험예 1과 유사하게 수행하였지만, 동판을 210℃에서 5분 동안 가열한 점, 및 접합된 클래드판을 가열하지 않거나 가열 온도 및 시간을 다양하게 조합하여 가 열한 점은 다르게 하였다.
그에 따른 접합강도와 드로잉성의 결과를 표 3에 나타내었다.
표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 접합된 클래드판의 가열 온도 및 시간은 240~260℃에서 23~27분 동안이 바람직하고, 250℃에서 25분 동안이 가장 바람직하다.
한편, 클래드판 가열 단계가 없는 경우 접합강도 및 드로잉성에서 불량(×)의 결과를 얻었다.
또한, 클래드판 가열 단계를 대기 조건 및 무산소 조건 하에서 수행한 결과, 무산소 조건 하에서 수행한 경우가 접합강도 및 드로잉성에서 훨씬 우수함을 확인하였다(무산조 조건: 매우 양호(◎), 대기 조건: 보통(△)).
<표 3>
210℃ 230℃ 240℃ 250℃ 260℃ 270℃ 290℃
20분 ×× × △ △ △ △ ×
23분 × △ ○ ○ ○ △ ×
25분 × △ ○ ◎ ○ △ ×
27분 × △ ○ ○ ○ △ ×
30분 × △ △ △ △ × ××
주) ◎: 매우 양호, ○: 양호, △: 보통, ×: 불량, ××: 매우 불량
실험예 4: 실시예와 비교예의 효과 비교
동판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 세척하고, 동판을 210℃에서 5분 동안 가열하였고, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 적층하여 340℃에서 27분 동안 가열하였다. 다음으로, 동판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 차례로 적층하여 33%의 압하율로 압연하여 접합시키고, 상기 접합된 클래드판을 250℃에서 25분 동안 가열하여 동-알루미늄-스테인리스강 클래드판을 제조하였다(실시예).
한편, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 세척하고, 알루미늄판의 양면에 샌드 블라스팅을 통해 표면 스크래치와 요철을 형성하였다. 다음으로, 동판을 170℃에서 20분 동안 가열하였고, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 적층하여 400℃에서 25분 동안 가열하였다. 다음으로, 동판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 차례로 적층하여 35%의 압하율로 압연하여 접합시켜 동-알루미늄-스테인리스강 클래드판을 제조하였다(비교예).
실시예 및 비교예의 접합강도와 드로잉성을 확인하였다.
실시예에 있어서, 동판과 알루미늄판의 결합 강도 및 알루미늄판과 스테인리스강판의 결합 강도는 각각 200 N/cm 및 230 N/cm였고 드로잉성은 매우 양호하였다.
비교예에 있어서, 동판과 알루미늄판의 결합 강도 및 알루미늄판과 스테인리스강판의 결합 강도는 각각 187 N/cm 및 200 N/cm였고 드로잉성은 보통이었다.
상기 결과로부터 본 발명에 따른 방법이 비교예의 방법에 비해 훨씬 우수함을 확인할 수 있다.
본 발명은 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법의 순서를 도시하는 흐름도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 세척 단계 20 : 동판 가열 단계
30 : Al-ST판 가열 단계 40 : Cu-Al-ST판 접합 단계
50 : Cu-Al-ST판 가열 단계

Claims (6)

  1. 동판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 세척하는 단계;
    동판을 200~220℃에서 4~6분 동안 가열하는 단계;
    알루미늄판 및 스테인리스강판을 적층하여 330~350℃에서 25~30분 동안 가열하는 단계;
    동판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 차례로 적층하여 30~35%의 압하율로 압연하여 접합시키는 단계; 및
    상기 접합된 클래드판을 240~260℃에서 23~27분 동안 가열하는 단계를 포함하는 동-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 세척 단계는 판을 알칼리 용액에 침지하는 것임을 특징으로 하는 동-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 동판 가열 단계는 동판을 210℃에서 5분 동안 가열하는 것을 특징으로 하는 동-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 동판 및 스테인리스강판 가열 단계는 동판 및 스테인리스강판을 340℃에서 27분 동안 가열하는 것을 특징으로 하는 동-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 접합된 클래드판 가열 단계는 접합된 클래드판을 250℃에서 25분 동안 가열하는 것을 특징으로 하는 동-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 접합된 클래드판 가열 단계는 무산소 조건 하에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 동-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법.
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